基于ETM+熱紅外波段的哈爾濱地區地表溫度反演算法研究

田 茜

(哈爾濱師范大學)

0 引言

陸面溫度(LST)是研究地表和大氣之間物質交換和能量交換的重要參數［1-2］．陸面溫度在氣候學、水文學、生態學、生物化學的研究中具有重要的意義，如:進行天氣預報、氣候變化的研究［2-3］．陸面溫度也是土壤水分或者植被水分狀態的指示計．要獲取全球或者區域尺度的地表溫度的時空分布，只能依靠熱紅外遙感［4-5］．

前人在利用Landsat-5 TM數據的熱紅外波段反演地表溫度方面做了一些工作，但大多數的溫度反演方法是針對AVHRR和MODIS的．隨著遙感技術的迅速發展，多種地表溫度反演算法相繼提出，目前國內外地表溫度反演研究常用的算法主要包括:單窗算法、單通道算法、多通道算法、多通道角度法．該文基于2011年哈爾濱地區的landsat ETM+遙感影像以及輻射傳導方程算法對哈爾濱地區的地表溫度進行反演，并對輻射傳導算法進行評價．

1 研究地區和研究方法

1．1 研究區概況

哈爾濱市位于東經 125°42'～130°10'、北緯44°04'～46°40'之間，地處黑龍江省南部．哈爾濱市的氣候屬中溫帶大陸性季風氣候，夏季占全年降水量的60%，集中降雪期為每年11月至次年1月．四季分明，冬季1月平均氣溫約零下19℃;夏季7月的平均氣溫約23℃．哈爾濱市境內的大小河流均屬于松花江水系和牡丹江水系，哈爾濱水資源特點是自產水偏少，過境水較豐，時空分布不均，表征為東富西貧．

1．2 研究方法

輻射傳導方程法(RadiativeTransfer Equation，RTE法)，其基本思路和表達式可寫為:

式中，Isensor是熱輻射強度，單位為W·m-2·sr-1·μm-1;τ是大氣透射率;ε是地表比輻射率;B(TS)是用Plank函數得出的黑體熱輻射強度;Ts是地表溫度;Iatm↓和Iatm↑是大氣的下行和上行熱輻射強度．

Iatm↓、Iatm↑和τ可以通過同步觀測的無線電探空數據輸入大氣校正模型MODTRAN得出．只要知道地表輻射率，就可以由公式(1)求解B(TS)，通過推到得出地表溫度:

式中，K1、K2均為常量，K1=607．76 W·m-2·sr-1·μm-1，K2=1260．56 K．

輻射傳導方程算法(RTE)又稱大氣校正算法，此算法對地表溫度的反演是通過一些大氣輻射傳輸模型(如 MODTRAN系列、LOWTRAN系列、ATCOR或6S)根據實時的標準大氣廓線數據，估計大氣對地表熱輻射的影響，并且從遙感器所觀測到的熱輻射總量中剔除這部分的大氣影響，從而得到真實的地表熱輻射強度，最后把真實的地表輻射強度轉化為相應的地表溫度．

1．3 研究資料

研究所采用的基本數據來源于哈爾濱市2011年ETM+遙感影像數據．

2 結果與分析

2．1 輻射亮度值計算

依據Landsat提供的輻射校正公式，將接收到的輻射強度與其DN值之間進行轉化，關系式如下:

式(3)中，Lsensor為單位是W/(m2·μm·sr)的輻射強度值;DN是像元的灰度值;Lmax、Lmin是對應于DN=255、DN=0的最大、最小輻射強度，Lmax=15．3032、Lmin=1．2378，單位為 W/(m2·μm·sr)．

對于Landsat，輻射強度與其DN值的關系可以進一步簡化為式(4):

2．2 地表比輻射率的估計

根據中國1∶100萬的土地資源分類系統，可以將其大體分為3種類型:水體、建設用地、自然表面．水體的結構單一，可以直接將水體像元的比輻射率賦值為0．9925．建設用地也可以直接將像元的比輻射率賦值為0．923，自然表面的比輻射率估計是重點．

2．3 相同溫度下黑體的輻射亮度值

大氣中的水分含量、氣溶膠含量、O3、NH3、CO2、CO、氣溫、氣壓等因素，這些因素影響大氣透射率從而影響熱輻射在大氣中的傳導．大氣中的水分含量是影響大氣透射率最主要的因素，其他因素對大氣透射率的影響較弱．

在獲取黑體在熱紅外波段的輻射亮度后，根據普朗克公式的反函數公式，求得地表溫度，如圖1．

圖1 地表溫度分布圖

2．4 研究結果

在地表溫度分布圖中，紅色區域為地表溫度最高的地方，即建設用地，藍色區域溫度最低，即為水體，綠色、黃色區域的溫度在兩者溫度之間，即自然表面．

哈爾濱地區的地表溫度場在建設用地區呈外擴趨勢，即從人口密集區到人口稀疏區，溫度逐漸降低，特別是在人口最密集的地區，地表溫度達到了最高．由于建設用地中水泥路面和建筑物的屋頂水分含量偏低，接收太陽輻射后地表潛熱通量小，升溫快，從而建設用地區的地表溫度偏高．對于水體而言(松花江自西南向東北貫穿而過)，它們受熱后會以水分蒸發的形式把熱量散發出來，降低自身溫度，所以平均溫度較建設用地區低．

3 結論與討論

(1)采用輻射傳導方程算法對哈爾濱地區的地表溫度進行反演，并將反演的結果與實際溫度進行對比分析，結果表明:建設用地的溫度最高，水體的溫度最低．雖然沒有精確的驗證，但這一結果符合地表水熱關系．

(2)利用熱紅外遙感反演地表溫度的方法和應用都取得了顯著的成績，但是采用輻射傳導方程算法的應用比較少，主要是由于這種算法復雜，考慮因素較多．可是輻射傳導方程算法具有物理基礎明確的優點，對地物進行恰當的分類以便于減少地表比輻射率的誤差及其他各種大氣輻射誤差，由此算法得到的計算結果精度較高，還是比較接近真實的地表溫度．

(3)由于作者的水平有限，收集的資料數據有限，沒能對影響地表溫度的影響因子進行分析，還需在今后的研究中進一步探討．

［1］ 趙英時．遙感應用分析原理與方法［M］．北京:科學出版社，2003．

［2］ Martson M，MeClain E P，MeGinins D F，et al．Satellite detection of urban heat island［J］．Weater Review，1987，106:1725-1764．

［3］ Gallo K P．Mcnab A L，Karl T R，et al．The use of a vegetation index for assessment of the urban heat island effect［J］．Internationnal journal of Remote Sensing，1993，14:1119-1131．

［4］ 宮阿都，江樟焰，李京，等．基于landsat TM圖像的北京市地表溫度遙感反演研究［J］．遙感信息，2005(3):18-20．

［5］ 覃志豪，高懋芳，秦曉敏，等．農業旱災監測中的地表溫度遙感反演方法—以MODIS數據為例［J］．自然災害學報，2005，14(4):64-71．

［6］ Qin Z H，Kamieli A，Berliner P．A Mono_window Algorithm for Retrieval Land Surface Temperature from Landsat TM Data and Its Application to the Israel-EgyptBorder Region．International Journal of Remote Sensing，22(18):3719-3746．